电磁改性的金属铸造方法技术

提供了一种用于对被铸造轻金属进行电磁细化的方法。该方法包括在凝固期间用低频感应线圈向金属施加单相弱静态场。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电磁改性的金属铸造方法本申请要求于2017年5月24日提交的临时申请No.62/510,472的权益，其公开内容通过引用并入本文。
本示例性实施例涉及对金属铸件的微观结构进行细化(refine)的方法，所述金属铸件比如是由包括铝、镁和钛的轻金属及其合金形成的铸件。本文详细描述的电磁铸造工艺主要被设计用于包含轻金属的铸件。
技术介绍
金属的铸造是最古老的制造工艺之一，其中将液态金属倒入模具中以生产零件。传统铸造涉及将金属倒入永久或非永久模具中，包括允许足够压力的流道(runner)或浇口(gating)系统和立管(riser)，以使俘获的气体逸出并且液态金属完全填充模具。模制金属的微观结构和物理性质可以在凝固过程中使用各种处理方法来影响。普遍的做法是用冷却系统来激冷铸造模具(例如，直接激冷或DC铸造、永久性主动/被动冷却模具或其它模具)，以从模具中去除热能并提高凝固过程的速度。凝固的速度通过增加结晶速度来影响微观结构，这限制了晶粒的生长时间，从而生成具有更好物理特性的更精细的微观结构。增强微观结构的另一种方式是在铸造之前向金属中添加晶粒细化剂。晶粒细化剂可以充当成核晶粒，从而增加晶核数量，并在凝固期间形成大量晶体，这些晶体具有较小的生长空间。以这种方式，可以在完成的铸造中获得更精细的晶粒结构。遗憾的是，晶粒细化剂在某些应用中会是有害的。铸造技术还考虑了使用电磁场来容纳被铸造金属体。从法国专利No.1509962已知，可以通过电磁铸造来生产钢或铝锭，该专利通过引用并入本文。所公开的规程包括借助于角度感应器在熔化的条件下围绕金属柱产生交变电磁场。磁场提供了在初级铸造区域内感应电磁压力的手段，以防止熔化的金属扩散，从而为金属赋予某种几何形状。当以那种方式约束的金属经受合适的冷却剂的冷却作用后，它会按照磁场施加的形式凝固。与常规铸造工艺不同，凝固不会在与模具壁接触的情况下发生，而是在与固体材料的接触之外发生。在那些情况下，所生产的制品一般是具有更好表面条件的锭，并且在一些情况下，其可以直接用在维度变换操作中，而无需有资源以进行特定的表面处理(诸如例如剥皮操作)。有利的是，冷坩埚和/或非接触式凝固系统可以提供适用于高纯度金属测试和生产的优异化学清洁度。当然，这需要非常高能量的过程。例如，通过施加电磁场将液态金属保持在封闭条件，该电磁场是借助于环形感应器生成的，该环形感应器以一般在500到5000赫兹之间的频率被供以交流电。这些过程的缺点在于它们是一般而言不适合大规模工业应用的批处理(batch)过程。在美国专利号3,985,179(其公开内容通过引用并入本文)中，Goodrich等人公开了一种使用电磁铸造装置的方法，其中环形感应器生成电磁场，该电磁场的通量密度朝着感应器顶部减小，从而更高效地控制感应器中熔化的金属的形状，以与轻金属一起使用。在美国专利No.4,004,631(其公开内容通过引用并入本文)中，添加了冷却护套。Goodrich使用这种技术通过电磁力来控制凝固金属的形状，以减少耐火材料的磨损，从而延长其使用寿命。当将熔化的金属馈送到感应器的内周区域时，电磁场与熔化的金属中感应出的涡流的相互作用生成电磁力，该电磁力将凝固金属的横截面形状控制为与感应器相同的总体形状。由电磁场生成的径向力分量防止熔化的金属的任何显著的横向移动，因此不允许熔化的金属与感应器之间接触。在US4,307,772(其公开内容通过引用并入本文)和USRe.32,529(其公开内容通过引用并入本文)中示出了在铝合金的铸造期间使用电磁场来控制坯料或板坯的形状。使用电磁悬浮，Hull等人示出了如美国专利4,741,383(其公开内容通过引用并入本文)中所述的薄板的水平浇铸的可能性。这些技术中的每一项都使用高功率交变电磁场来通过涡流和洛伦兹力的感应来维持铸件的形状。凝固期间的电磁搅拌已经通过由CharlesVives在1980年代后期开发的CREM(铸造、细化、电磁)工艺应用于锻造合金的直接激冷(DC)铸造。在美国专利4,530,404(其公开内容通过引用并入本文)中，Vives讨论了电磁场对金属的结构的影响。在这个文献中，Vives描述了交流电流频率对微观结构的影响以及液态金属的搅拌效果。Vives讲到，随着增加到搅拌器的功率输入，铸锭中随后的晶粒尺寸减小。在一些合金中，获得的晶粒尺寸小于使用晶粒细化母合金的晶粒尺寸。Radjai等人使用DC磁体和AC电流成功地细化了Mg、Al和灰铁。Mizutani等人已经采用类似的方法并用于铝合金和块状金属玻璃的晶粒细化。Greenwich大学和ValdisBojarevics(2015-2016)的论文讨论了使用高频和浸没的线圈通过EM振动进行超声细化。但是，这些出版物都教导了高力方法，其使用多相方法并且在非常高的磁场强度下使用至少50Hz的频率。因此，调查都集中在电磁场的方向上。本公开内容替代地设想单相相对低的可变力和可变低频方法。而且，已发现使用微移动、共振效果、增加动能、更改成核晶粒的临界半径和对DAS结构生长的干扰，而不是通过显著的感应加热感应出大量的块状流，提供了意想不到的好处。
技术实现思路
根据一个实施例，提供了用于金属的电磁铸造的过程。该过程在凝固的过程中对熔化的金属施加电磁约束场。该过程还包括向金属施加单相固定磁场，其中该磁场由放置在金属的仅一侧或两侧的低频感应线圈施加。预期低频感应线圈将在大约0.1-240Hz或0.1-120Hz的范围内操作。还预期该过程可以使用具有垂直轴与相关联的铸造台的垂直方向对准的线圈。优选的是提供一种线圈，其形状和位置使得相关联的电磁场可以穿透铸件的所有截面(section)并在其中感应出电流。优选的是仅使用单个线圈。还优选的是该场满足以下至少一项：(a)小于2Tesla或小于1Tesla或小于0.5Tesla和(b)6-60Hz。在某些实施例中，线圈以小于500安培或小于250安培或小于0.8kA的功率操作。例如，对于100mTesla场以小于500安培的电流操作的单板30匝线圈可以是合适的。本公开还考虑了在凝固过程期间(可选地取决于金属相)的功率、电流和/或频率的调整。附图说明图1是第一代表性电磁压铸配置的示意图；图2是第二代表性电磁压铸配置的示意图；图3是第三代表性电磁压铸配置的示意图；图4是图3的配置的顶部横截面图；图5是图3的配置的侧视横截面图；图6是第四代表性电磁压铸件配置的示意图；图7是圆形单线圈的透视图；图8是圆形双线圈的顶视图：图9是薄饼线圈测试设置的示意图；图10是圆形线圈测试设置的示意图；图11是代表性EM振动模型的示意图；图12是代表性EM连续铸造振动模型的示意图；图13是代表性强EM振动模型的示意图；图14是代表性强EM振动连续铸造模型的示意图；以及图15是EM压力模型的示意图。具体实施方式如本文所使用的，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于被铸造金属的电磁细化的方法，其中电磁约束场在凝固过程中作用于熔化的金属上，所述方法包括对所述金属施加单相磁场，所述场是通过仅放置在所述金属的一侧的低频感应线圈施加的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170524 US 62/510,4721.一种用于被铸造金属的电磁细化的方法，其中电磁约束场在凝固过程中作用于熔化的金属上，所述方法包括对所述金属施加单相磁场，所述场是通过仅放置在所述金属的一侧的低频感应线圈施加的。


2.如权利要求1所述的方法，其中所述低频包括0.1–120Hz。


3.如权利要求2所述的方法，其中所述频率是准正弦的。


4.如权利要求1所述的方法，其中所述低频包括脉冲DC。


5.如权利要求1所述的方法，其中所述线圈的形状和位置被设置为使得相关联的电磁场能够穿透所述铸件的所有截面并在其中感应出电流。


6.如权利要求1所述的方法，其中所述场满足小于2Tesla和6-60Hz两种范围中的至少一个。


7.如权利要求1所述的方法，其中所述线圈以小于800amps的功率操作。


8.一种用于轻金属的电磁铸造的方法，其中电磁场在凝固过程中作用于熔化的金属上，所述电磁场由感应线圈提供，其中，所述感应线圈在凝固期间提供小于约2Tesla的场。


9.如权利要求8所述的方法，其中施加的电流是单相的交流电流。


10.如权利要求8所述的方法，其中所述感应线圈是单层线圈或多层线圈。


11.如权利要求8所述的方法，其中频率和/或功率和/或电流在凝固处理期间被修改。

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【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特·弗里茨奇，
申请(专利权)人：派瑞泰克有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US